[論文レビュー] The order-disorder phase transition in lipid bilayers mediates a force for assembly of transmembrane proteins

Shachi Katira, Kranthi K. Mandadapu+3 more|arXiv (Cornell University)|Jun 13, 2015

Lipid Membrane Structure and Behavior被引用数 5

ひとこと要約

本稿では、疎水性不適合と秩序-無秩序相転移への近接性の相互作用に起因する、リン脂質二重層内での膜貫通タンパク質のアセンブリを駆動する新規な力「オーダーフォビック効果」を提案する。大規模な分子動力学シミュレーションを用いて、無秩序相と同等の疎水性厚さを持つタンパク質が秩序状態の膜に埋め込まれると、界面領域が安定化され、そのアセンブリによって界面自由エネルギーが低減し、膜の弾性によるものよりも強力で長距離にわたる力が生じることを示した。

ABSTRACT

We present a mechanism for a generic and powerful force of assembly and mobility for transmembrane proteins in lipid bilayers. This force is a pre-transition (or pre-melting) effect for the first-order transition between ordered and disordered phases in the host membrane. Using large scale molecular simulation, we show that a protein with hydrophobic thickness equal to that of the disordered phase embedded in an ordered bilayer stabilizes a microscopic order-disorder interface, and the stiffness of that interface is finite. When two such proteins approach each other, they assemble because assembly reduces the net interfacial free energy. In analogy with the hydrophobic effect, we refer to this phenomenon as the effect. The effect is mediated by proximity to the order-disorder phase transition and the size and hydrophobic mismatch of the protein. The strength and range of forces arising from the orderphobic effect are significantly larger than those that could arise from membrane elasticity for the membranes we examine.

研究の動機と目的

• 膜貫通タンパク質のアセンブリを駆動する一般的な物理的メカニズムを同定すること。
• 秩序-無秩序相転移への近接性が膜内でのタンパク質-タンパク質相互作用に与える影響を調査すること。
• 疎水性不適合に起因する界面自由エネルギーの最小化が、タンパク質の移動性およびアセンブリに顕著な力を生じるかどうかを特定すること。
• 膜の弾性に起因する力と比較して、この力の強さと範囲を評価すること。

提案手法

• 秩序-無秩序相転移に近いリン脂質二重層の大型分子動力学シミュレーション。
• 膜の秩序状態および無秩序状態と比較して、膜貫通タンパク質の疎水性厚さを体系的に変化させたシミュレーション。
• 秩序状態の膜内に埋め込まれたタンパク質が形成する秩序-無秩序界面における界面自由エネルギーの定量的評価。
• タンパク質の接近に伴う界面自由エネルギーの変化を測定することで、タンパク質-タンパク質結合のエネルギー的側面を分析。
• オーダーフォビック効果に起因する力と膜の弾性に起因する力の大きさと範囲を比較。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 秩序-無秩序相転移に近接するリン脂質二重層内での膜貫通タンパク質のアセンブリを駆動する物理的力は何か？
• RQ2 タンパク質と周囲の膜との間の疎水性不適合が、界面自由エネルギーおよびタンパク質の結合に与える影響は何か？
• RQ3 オーダーフォビック効果の相対的な強さと範囲は、膜の弾性に起因する力と比較してどうなるか？
• RQ4 有限の剛性を持つ秩序-無秩序界面の形成が、タンパク質-タンパク質相互作用を媒介できるか？

主な発見

• オーダーフォビック効果は、疎水性厚さが無秩序相と一致するタンパク質が秩序状態の二重層に埋め込まれた際、微小な秩序-無秩序界面が安定化することに起因する。
• 形成された界面領域は有限の剛性を有し、自由エネルギーの最小化を通じてタンパク質-タンパク質相互作用を媒介できる。
• タンパク質のアセンブリにより、ネット界面自由エネルギーが低減し、結合を促進する熱力学的に有利な駆動力が得られる。
• オーダーフォビック効果によって生じる力は、シミュレーション系において膜の弾性に起因する力よりも顕著に強く、長距離にわたる。